Joseph Wang等人Nature子刊: 连续监测多种生物标志物的可穿戴传感器

2022-05-25 12:08:11 北京 崛步化学
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研究内容

基于微针的可穿戴传感器阵列用于监测组织液中的多种生物标志物,缺乏系统集成和稳健分析性能的证据。

加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang教授和Patrick P. Mercier教授合作报道了一种小型化、完全集成、无线操作的可穿戴微针阵列传感器,用于连续监测自由行为的人组织液(ISF中的生物标志物(乳酸和葡萄糖,或酒精和葡萄糖)。其结果与相应的金标准(血液或呼吸)测量结果密切相关。相关工作以“An integrated wearable microneedle array for the continuous monitoring of multiple biomarkers in interstitial fluid”为题发表在国际著名期刊Nature Biomedical Engineering上。

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研究要点

要点1.一个完全集成的微针传感器系统由多个传感探头阵列和定制电子器件组成。集成系统由9个不同的子组件组成,这些子组件被组装成两个主要组件——“一次性传感器”和“可重复使用的电子产品”,以便根据其功能寿命方便地更换低成本的一次性传感器组件。

要点2.可穿戴系统不断收集丰富的分子数据,以便更好地了解身体对日常活动的反应。ISF生物标志物(葡萄糖、乳酸和/或酒精)的实时监测可以单独(单个分析物)和同时(葡萄糖-酒精和葡萄糖-乳酸)进行,其结果与相应的金标准(血液或呼吸)测量结果密切相关。

要点3.该设备与定制的智能手机应用程序一起工作,用于数据捕获和可视化,包括可重复使用的电子器件和一次性微针阵列,并通过先进的微加工进行系统集成、低成本制造、更容易组装、生物相容性、无痛皮肤穿透和增强灵敏度。

通过实验室测试及验证数据表明,该技术可同时实时监测组织液中几种生物标志物,且具有很强的稳健性和实用性。

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研究图文

图1. 基于微针的多路复用可穿戴传感器系统及其子组件的插图。a、贴在佩戴者手臂上的传感器贴片。b,一块横断面的传感器与微穿刺皮肤表皮以及微电极的配置中使用多路传感器组件(i)。横断面的微针/皮肤接口(ii)。c、微针传感器贴片的后视图以及相应子组件的分解视图。d、带有两个主要部件的微针传感器贴片的前视图一次性传感器阵列和可重复使用的电子器件(i)。比例尺: 1.5 cm。用户手持的智能手机,在应用程序的摘要视图页面显示传感结果(ii)。单个微针电极的锥形尖端的SEM(iii)。比例尺: 75 µm。

图2. 电子和传感器架构。a、电子器件主要部件的功能框图(i)。AD5940电化学AFE的简化功能框图(ii)。电子系统PCB连接到电池(通过一个低调的连接器)和充电线圈(通过大型焊垫)(iii)。主要组件贴上标签的电子(iv)。电子系统接口微针阵列传感器通过针插入导电孔内传感器。在引脚的基础上的机械导向为电子系统PCB提供机械保持。b、具有相应尺寸的单个微针示意图(i)。一次性组件(A)和可重复使用电子元件(B)的侧视图描绘(ii)。带有标签的微针组作为两个分离的工作电极、计数器和参考电极的多路传感器描绘(iii)。显示单个微针尖端侧面(i)和俯视图(ii)的SEM。比例尺: 100 µm。多个微针的SEM(iii)。比例尺: 500 µm。溅射金属薄膜前(iv)和后(v)的四组微加工微针阵列。比例尺分别为2.5和2 cm。用于单个(vi)和多个(vii)传感的组装微针套环。比例尺: 1 cm。

图3. 单一分析物传感器的体内性能。a、放置在参与者手臂上的传感器的照片。b、5名参与者在4分钟高强度运动后休息期间的乳酸传感器性能研究,并进行相应的乳酸血液验证(i-iii)。传感器与血乳酸参考测量的ISF乳酸数据测量图(iv)。c、葡萄糖传感器性能研究,5名参与者在相同的用餐后,进行相应的血糖验证(i-iii)。传感器与血糖参考测量的ISF葡萄糖数据点图(iv)。d、酒精传感器性能研究在整个葡萄酒消费事件中对5名不同的人体参与者,酒精测量仪酒精测量验证(i-iii)。由传感器绘制的ISF酒精数据点图与酒精呼气测试仪参考测量值(iv)。e、传感器放在参与者手臂上的照片。f、乳酸传感器在不同运动阶段(i-iii)的多事件研究,从1分钟中等强度自行车运动(iiA)开始,然后是4分钟高强度下蹲自行车组合运动(iiB),连同相应的情节的乳酸测量传感器与血乳酸地带参考测量(iv)。g、葡萄糖传感器的多事件研究,涉及不同的食物消费事件(i-iii),从进食一餐(iiA)开始,然后是禁食时间间隔,最后是吃甜点(iiB),并绘制传感器ISF葡萄糖测量值与血乳酸条参考测量值的对应图(iv)。h、涉及不同葡萄酒的多事件酒精传感器研究(i-iii),从快速饮用一杯葡萄酒开始(iiA),随后逐渐消耗相同数量的葡萄酒15分钟间隔(iiB)之间展开,与相应的情节的酒精传感器测量的测量(iv)和呼气测醉器参考。

图4. 多路复用传感器的体内性能。A、酒精-葡萄糖传感器在葡萄酒消费事件(iA)和餐消费事件(iB)期间的性能研究以及传感器(ii)与酒精呼气测试仪和血糖条参考测量(iii)的ISF酒精和葡萄糖测量的对应曲线图。b、乳酸-葡萄糖复合传感器在4分钟高强度锻炼(iA)期间的性能研究,然后吃一餐(iB),与传感器的ISF乳酸和葡萄糖测量(ii)与血液乳酸和葡萄糖条参考测量(iii)相对应的图。

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文献详情

An integrated wearable microneedlearray for the continuous monitoring of multiple biomarkers in interstitial fluid

Farshad Tehrani, Hazhir Teymourian, Brian Wuerstle, Jonathan Kavner, Ravi Patel, Allison Furmidge, Reza Aghavali, Hamed Hosseini-Toudeshki, Christopher Brown, Fangyu Zhang, Kuldeep Mahato, ZhengxingLi, Abbas Barfidokht, Lu Yin, Paul Warren, Nickey Huang, Zina Patel, Patrick P. Mercier ,* Joseph Wang*

Nat. Biomed. Eng.

DOI: 10.1038/s41551-022-00887-1

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